工博會忙完，又該繼續(xù)TSN系列連載時(shí)間！沒記錯的話這已經(jīng)是第4期了。

例行回顧，在上一期文章中，我們從三大方面了解了TSN網(wǎng)絡(luò)的是如何工作【TSN系列連載3：TSN網(wǎng)絡(luò)的工作方式是怎樣的？分三點(diǎn)給你講清楚】。這三大方面分別為：

一，時(shí)間同步

二，調(diào)度和流量整形

三，選擇信道、信道預(yù)留和容錯

其中提到的TSN網(wǎng)絡(luò)的“調(diào)度和流量整形”，當(dāng)時(shí)我們并沒有展開做深入的分析解釋，但后臺有不少小伙伴留言表示對這一問題比較感興趣，在C小C強(qiáng)烈請求（SiChanLanDa）下，這一期就讓技術(shù)小哥哥給咱們仔細(xì)分析一下TSN網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度和流量整形。

下邊這個(gè)示例表，是IEEE802.1Qbv調(diào)度程序配置的一個(gè)示例顯示▼：

↑↑↑圖1：IEEE802.1Qbv調(diào)度程序示例

在此示例中，每個(gè)循環(huán)由兩個(gè)時(shí)間片組成。

時(shí)間片1僅允許傳輸標(biāo)記有VLAN優(yōu)先級3的流量，并且每個(gè)周期中的時(shí)間片2允許發(fā)送其余優(yōu)先級。由于IEEE802.1Qbv調(diào)度程序要求所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（包括以太網(wǎng)交換機(jī)和終端設(shè)備）上的所有時(shí)鐘都要同步并且要遵循相同的調(diào)度，因此所有設(shè)備都知道在一個(gè)給定時(shí)間點(diǎn)可以將哪個(gè)優(yōu)先級的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。由于時(shí)間片2能夠分配給其他的多個(gè)優(yōu)先級，因此在該時(shí)間片內(nèi)，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1Q所規(guī)定的優(yōu)先級調(diào)度來處理優(yōu)先級。

通過包括其他調(diào)度或流量整形算法，在IEEE802.1所規(guī)定的TSN網(wǎng)絡(luò)中，定義了不同調(diào)度和流量整形程序，可以實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、軟實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和后臺業(yè)務(wù)能夠在同一個(gè)以太網(wǎng)介質(zhì)中共存。

IEEE802.1Qbv進(jìn)行了更詳細(xì)的定義：時(shí)間片和保護(hù)帶

以太網(wǎng)接口必須在一次數(shù)據(jù)完成后才能開始新的數(shù)據(jù)傳輸，包括在幀結(jié)束時(shí)傳輸CRC32校驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，以太網(wǎng)的這種特性再次對IEEE802.1Qbv調(diào)度程序的TDMA方法提出了挑戰(zhàn)。這在圖2中可見▼：

圖2：在盡力而為時(shí)間片中發(fā)送太晚的幀侵犯了高優(yōu)先級時(shí)間片

如上圖所示，在周期n中時(shí)間片1尚有空閑，一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀開始傳送，但由于數(shù)據(jù)幀太大，無法適應(yīng)調(diào)度程序所規(guī)定的時(shí)間片，但由于該數(shù)據(jù)幀的傳輸不能被中斷，所以就會侵犯下一個(gè)周期n+1的時(shí)間片1。由于關(guān)鍵時(shí)間片被部分或全部占用，實(shí)時(shí)幀可能會發(fā)生延遲，以至于不能滿足應(yīng)用要求。這與非TSN以太網(wǎng)交換機(jī)中發(fā)生的緩沖效果其實(shí)是非常相似的，因此TSN必須指定一種機(jī)制來防止這一情況的發(fā)生。

所以，在實(shí)際應(yīng)用中，IEEE802.1Qbv時(shí)間感知調(diào)度程序必須確保時(shí)間片在切換時(shí)以太網(wǎng)接口是空閑的。

為滿足這一要求，調(diào)度程序會在每個(gè)用于傳輸關(guān)鍵流量的時(shí)間片前面放置一個(gè)保護(hù)帶。在該保護(hù)帶間，不能啟動新的以太網(wǎng)幀傳輸，僅可以完成正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀。而該保護(hù)帶的時(shí)長則必須與進(jìn)行安全傳輸最大幀所需的時(shí)長一致。

對于符合IEEE802.3的以太網(wǎng)幀，如果具有單個(gè)IEEE802.1QVLAN標(biāo)記并包括幀間間隔，其最大總長度為：1500字節(jié)（有效幀數(shù)據(jù)）+18字節(jié)（以太網(wǎng)地址，類型和CRC）+4字節(jié)（VLAN標(biāo)簽）+12字節(jié)（幀間隔）+8字節(jié)（前導(dǎo)碼和SFD）=1542字節(jié)。

另外，發(fā)送此幀所需的總時(shí)間取決于以太網(wǎng)的速度。在100Mbit/s傳輸速率的以太網(wǎng)中，傳輸持續(xù)時(shí)間如下▼：

因此，此時(shí)保護(hù)帶至少為123.36μs長。

由于保護(hù)帶的存在，（總帶寬/時(shí)間片內(nèi)的有效時(shí)間）實(shí)際上隨著保護(hù)帶的增加而減小了。這在圖3中可見：

圖3：防護(hù)帶防止了關(guān)鍵流量時(shí)間片的沖突

溫馨提示：為了便于呈現(xiàn)該主題，↑↑↑圖3中保護(hù)帶的實(shí)際尺寸不是按比例的，而是明顯小于圖2所示。

在↑↑↑圖3示例中，時(shí)間片1總是包含高優(yōu)先級數(shù)據(jù)（例如，用于運(yùn)動控制），而時(shí)間片2總是包含Best-Effort服務(wù)數(shù)據(jù)。因此，需要將保護(hù)帶放置在時(shí)間片1的每個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)處以保護(hù)傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)的時(shí)間片。

不過值得注意的是，雖然保護(hù)段能夠保護(hù)具有高優(yōu)先級、傳輸關(guān)鍵流量的時(shí)間片，但它們也有一些明顯的缺點(diǎn)：

為了部分地減輕通過保護(hù)帶造成的帶寬損失，在標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1Qbv中還包括了長度感知調(diào)度機(jī)制，當(dāng)使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換時(shí)則可使用該機(jī)制，即：

在接受完上一個(gè)以太網(wǎng)幀，需要在保護(hù)帶內(nèi)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，調(diào)度程序會檢測待發(fā)送幀的長度。如果幀長可以滿足在保護(hù)帶內(nèi)發(fā)送完畢，而不會影響到下一個(gè)高優(yōu)先級時(shí)間片，則調(diào)度程序可以發(fā)送此幀，這樣就可以保證在有保護(hù)帶的同時(shí)減少帶寬的浪費(fèi)。

但是，當(dāng)直通轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，由于需要預(yù)先知道待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的幀長，因此不能使用這種機(jī)制。

因此，當(dāng)使用直通轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，仍然會發(fā)生帶寬浪費(fèi)。而且，這也無助于算短循環(huán)時(shí)間。因此，長度感知調(diào)度機(jī)制是一種有效的改進(jìn)，但也并不能消除引入保護(hù)帶所帶來的所有缺點(diǎn)。 

幀搶占和最小化保護(hù)帶

為了進(jìn)一步減輕保護(hù)帶的負(fù)面影響，IEEE工作組802.1和802.3為此設(shè)計(jì)了幀搶占機(jī)制。這兩個(gè)工作組合作進(jìn)行了這項(xiàng)工作，因?yàn)樵摷夹g(shù)需要改變IEEE802.3控制下的以太網(wǎng)媒體訪問控制（MAC）方案，同時(shí)，也需要改變IEEE802.1控制下的管理機(jī)制。因此，幀搶占是兩個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)文件中進(jìn)行描述：IEEE802.1Qbu為橋接管理組件；IEEE802.3br用于以太網(wǎng)MAC組件。

圖4：幀搶占的示例

圖4給出了幀搶占如何工作的基本示例。我們可以看到，在發(fā)送Best-Effort幀的過程中，MAC在保護(hù)帶開始之前中斷幀傳輸，這部分幀用一個(gè)CRC校驗(yàn)來結(jié)束，并存儲在下一個(gè)交換緩存中，以等待幀的第二部分到達(dá)。當(dāng)時(shí)間片1中的高優(yōu)先級任務(wù)傳送完畢，時(shí)間周期切換回時(shí)間片2之后，恢復(fù)中斷的幀傳輸。幀搶占總是以逐段鏈路為基礎(chǔ)，并且只在兩個(gè)交換機(jī)之間傳送數(shù)據(jù)，幀在交換機(jī)被重新組裝。

與IP協(xié)議的分段對比，該機(jī)制不支持端到端的分段傳送。而在分段傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)幀的每一部分都由CRC32結(jié)束以進(jìn)行錯誤檢測，與常規(guī)以太網(wǎng)的CRC32校驗(yàn)相比，部分幀的CRC32中最后16位被反轉(zhuǎn)以使其能夠與常規(guī)以太網(wǎng)幀區(qū)分開來。此外，在傳輸中，幀起始界定符（SFD）也被改變。

為實(shí)現(xiàn)幀搶占機(jī)制，設(shè)備之間的每個(gè)鏈路上都必須單獨(dú)支持幀預(yù)占。以太網(wǎng)交換機(jī)通過LLDP（鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議）標(biāo)記鏈路的幀搶占能力。當(dāng)具備幀搶占功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在端口上收到此類LLDP通知時(shí)，它就會激活幀搶占功能。相鄰設(shè)備之間無法直接協(xié)商和激活該功能。能夠接收LLDP幀搶占通知的任何設(shè)備都默認(rèn)鏈路另一端的設(shè)備可以兼容為適應(yīng)幀搶占而進(jìn)行的幀格式變化（CRC32和SFD的變化）。

幀搶占機(jī)制可以明顯減少保護(hù)帶的影響。在使用幀搶占機(jī)制時(shí)，保護(hù)帶的長度取決于幀搶占機(jī)制的精度：幀搶占機(jī)制能夠搶占的幀究竟有多小。由于以太網(wǎng)幀的最小長度是64字節(jié)，因此IEEE802.3br則規(guī)定了在64字節(jié)時(shí)的最佳精度：

127字節(jié)，64字節(jié)（最小幀）+63字節(jié)（不能預(yù)占的剩余長度）。所有大于64字節(jié)的幀都可以再次搶占，因此，不需要使用防護(hù)帶來防止這一尺寸。

使用幀搶占機(jī)制可以最大限度地減少浪費(fèi)的Best-Effort傳輸帶寬，并且可以在較慢的以太網(wǎng)速率（例如100Mbps或更低）下縮短周期時(shí)間。由于搶占發(fā)生在MAC層的硬件中，因此當(dāng)幀通過時(shí)，也可以支持直通轉(zhuǎn)發(fā)（因?yàn)椴恍枰A(yù)先檢測幀的大?。?。MAC接口只負(fù)責(zé)每隔64字節(jié)進(jìn)行檢查以判斷否需要進(jìn)行幀搶占。

時(shí)間同步，IEEE802.1Qbv調(diào)度程序和幀搶占的組合構(gòu)成了一套有效的標(biāo)準(zhǔn)，以用于保證網(wǎng)絡(luò)上不同要求任務(wù)類別的共存，同時(shí)還保證了端到端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。

TSN網(wǎng)絡(luò)利用時(shí)間片進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和流量整形就是其核心技術(shù)，所以，這才是TSN網(wǎng)絡(luò)“厲害”的地方啊。

而CC-LinkIETSN網(wǎng)絡(luò)正是使用了IEEE802.1AS和IEEE802.3Qbv協(xié)議，充分利用了這一思路和方法實(shí)現(xiàn)了不同類型的數(shù)據(jù)流，并使其能夠共享同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸需求。

好啦，這一期的內(nèi)容可以說是非常干貨了，大家慢慢消化。近期C小C跟同事們都在準(zhǔn)備東莞的技術(shù)研討會和本月17日上海工博會，也希望大伙兒能繼續(xù)關(guān)注CC-Link協(xié)會的各方動態(tài)。